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FRP纤维增强复合材料在新建结构中的发展及应用

编辑:管理员 来源:本站 发布日期: 2019-7-29 16:11:31
信息摘要:
1FRP概述  纤维增强复合材料(以下简称“FRP”)是由连续纤维和基体树脂复合而成。目前在土木工程中应用的FRP材料主要有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)以及玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)等。  目前以碳纤维布为代表…

  1FRP概述

  纤维增强复合材料(以下简称“FRP”)是由连续纤维和基体树脂复合而成。目前在土木工程中应用的FRP材料主要有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)以及玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)等。

  目前以碳纤维布为代表的FRP片材已经成为一种重要的结构加固材料,在各类民用及工业建构筑物的改造加固工程中得到了广泛的应用。

  近年来,FRP材料在新建结构中的研究和应用也已成为土木建筑领域的研究热点。由于FRP不同于传统建筑材料的物理和力学特性,其用于新建结构具有很大的技术优势和发展空间,主要体现为:

  1)轻质高强,FRP的比强度(强度与密度之比)是钢材的20~50倍,采用FRP材料可大大减轻结构的质量,并可使大跨桥梁和建筑物的极限跨度大为增加。

  2)良好的耐腐蚀性,可用于港口工程、地下工程、桥梁、化工建筑等有特殊环境下要求的建构筑物。

  3)成型方便,可设计性强,可以较方便地设计成筋、索、管及其他型材。

  4)FRP为线弹性材料,在发生较大变形后还能恢复原状,对于承受较大动载和冲击荷载的结构较为有利。

  FRP材料还具有非磁性、绝缘(CFRP除外)、热膨胀系数小等其他优势,在一些特殊结构中能够发挥其他建材难以取代的作用。

  2FRP在新建结构中的应用形式

  2.1FRP-混凝土组合结构

  FRP-混凝土组合结构是指将FRP材料与混凝土通过一定的方式形成组合,共同承受荷载作用,其形式有FRP筋-混凝土结构、FRP网格-混凝土结构、FRP-混凝土组合梁(FRP梁式构件与混凝土翼板组合)、FRP管-混凝土组合构件等。

  FRP-混凝土组合结构充分利用了FRP与混凝土两种材料的特性,具有很好的力学性能和很好的环境适应性,可以满足不同工况下的使用要求。尤其是在海洋工程、交通道路、桥梁隧道、市政工程等使用环境复杂、对材料性能要求高的大型工程中更能发挥该新型组合结构的技术优势。


  2.1.1FRP筋-混凝土组合结构

  在处于恶劣环境条件时,如干湿交替、化学介质等作用下,普通钢筋极易发生腐蚀,严重影响结构的耐久性和适用性,导致结构承载能力的降低。在这种情况下,防腐性能好、黏结性能与钢筋相差不多且抗拉强度高的FRP筋成为代替钢筋的一个较好选择(表1)。

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  表1FRP筋的物理、力学性能指标  

  注:纤维体积含量为50%~70%。


  FRP筋是由若干股连续纤维束按特定的工艺经配套树脂浸渍固化而成,主要生产工艺包括编织型、绞线型、拉挤型,其中拉挤型是较为普遍的方法(图1)。按形状来划分,通过拉挤成型的条棒状直线型FRP筋一般称为筋材或棒材,包括表面光圆筋和表面变形筋,此类筋刚度较大,不易弯曲;将纤维束扭成绞状呈复合绳形式的FRP筋称为索或绞线,为单股或多股,刚度较小,可以弯曲绕成卷。  

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a—发辫式(编织型);b—绞线式;c—拉挤变形筋。

  图1FRP筋成型方式


  20世纪60年代初,美国Marshall-Vega公司生产出GFRP筋,用于解决近海地区和寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害问题。20世纪80年代开始,FRP筋逐渐大量应用于有特殊性能要求的结构物中代替钢筋,如有磁共振医疗设备的建筑及海堤、工业厂房屋面板等受严重化学侵蚀的结构物中,经长达二十多年的跟踪监测发现,FRP筋-混凝土的工作状况良好,全寿命周期的综合经济性优于频繁维护翻修的钢筋混凝土结构。

  岩土工程也是FRP筋的重要应用领域,目前已用于因潮汐变化导致干湿交替的挡土墙、地基锚杆及地铁沉井等工程中(图2)。

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  图2FRP筋在结构中代替钢筋


  FRP筋、绞线的另一种使用形式是预应力混凝土结构,目前多用于桥梁工程。德国于1986年在杜塞尔多夫建成了世界上第一座采用玻璃纤维筋的预应力混凝土公路桥——UlenbergStrass桥。该桥在上部结构板中使用了59根复合材料预应力筋,每根筋由19根直径7.5mm的无碱玻璃纤维(E)级筋组成,全桥共使用了4tGFRP。1991年又在路德维希港建成一座采用CFRP筋束施加部分预应力的全长80m的预应力混凝土桥梁。

  日本于1988年在石川县的先张预应力混凝土板式公路桥Shinmiya上率先将CFRP绞线作预应力筋;而后在千叶县的长津川人行桥采用CFRP棒筋作为普通筋,采用绞合型碳纤维线芯(CFCC)绞线作为预应力筋,全桥为全CFRP材料替代钢筋的非金属结构。1989年建成的日本九州县石智川桥则是CFRP筋作为预应力筋第一次应用于两跨简支预应力混凝土公路桥。

  在技术标准方面,日本于1997年公布了《连续纤维增强材料混凝土结构设计施工建议》。加拿大土木工程师协会(CSCE)于1989年成立了“新型复合材料在桥梁和结构中的应用”技术委员会,在1996年和2000年出版的CAN/CSA-S6-96,CAN/CSA-S6-00《加拿大公路桥梁设计规范》中包含了FRP筋的相关设计条款。2002年公布了CAN/CSA-S806-02《FRP筋混凝土结构设计和施工规程》。美国混凝土协会ACI440委员会于2001年出版了《FRP筋增强混凝土结构的设计和施工指南》,2003年又出版了《FRP筋增强预应力混凝土结构指南》,目前仍在不断地更新修订,出版更新的版本。我国的GB50608—2010《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》也涵盖了FRP加固、FRP筋-混凝土、FRP管组合构件等内容,是国内目前最主要的FRP材料在土木工程领域的设计标准。


  2.1.2FRP网格-混凝土组合结构

  FRP网格是将碳纤维、玻璃纤维等高性能连续纤维浸渍于耐腐蚀性能良好的树脂中形成的整体网格,纤维经树脂浸润并固化后具有较高的强度和刚度,不同于编制成型的柔性格栅(图3)。

  FRP网格使用方便,施工简单迅捷,可替代钢筋用于新建混凝土结构中,特别适用于墙、板等,成为在特殊条件下应用时的一种基本材料,可形成一种新的体系,而不仅仅是对传统FRP材料的补充。

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图3 CFRP网格

  FRP网格材料的工程应用始于20世纪80年代,日本最初将玻璃纤维网格用于结构加固,而后碳纤维网格得到了迅速发展,工程应用量迅速增加,现已被广泛使用在隧道、飞机跑道、停机坪、桥梁、高速公路、建筑物、沟渠等诸多新建工程和加固改造工程中。

  例如在地下结构、隧道盾构等工程的施工中,可使用FRP网格作为受力筋材与混凝土形成地下连续墙体,当盾构机施工运行遇到连续墙体时,可直接进行切割,而不必像遇上钢筋混凝土墙体时需要进行人工切割,节省了大量的人力和时间,又降低了施工风险(图4)。

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  图4CFRP网格用于隧道工程



  此外,FRP网格质量轻,且基本呈薄片状,易于加工成各种形状,可作为预制构件的主要受力材料,特别适合生产板、管、围护结构等预制构件。目前国外已有相关的FRP预制产品得到推广应用,如美国的C-GRID网格被用于预制隔热墙板、预制建筑面板、双T梁等预制产品(图5)。

  图5CFRP网格预制产品(美国C-GRID)


  2.1.3FRP管-混凝土组合结构

  FRP管为多向纤维铺设的层合壳体,由缠绕法、离心浇铸法和挤拉成形法等方法制作,可采用环向或与环向成±α°的方向铺设纤维(图6)。

  在FRP管内浇灌混凝土可形成FRP管-混凝土组合构件,类似于钢管混凝土,FRP管-混凝土构件一般有FRP圆管混凝土构件和FRP方管混凝土构件两种形式。

  图6FRP管


  FRP管-混凝土抗震性能优越,在设计时可不配筋或减少配筋,而且施工时不需模板,管材质量轻,施工简便快速,可减小施工工作量,降低造价。FRP管-混凝土耐腐蚀,可在水下长期使用,尤其适合在水工结构和海洋工程中使用,其维护费用低,长期经济效益具有较明显的优势(图7)。

  图7FRP管桩施工


  2.2FRP构件及结构

  除了与混凝土组合使用,FRP材料也可独立使用作为结构构件,甚至组成全FRP结构(图8、图9)。


  图8FRP网架

  Fig.8FRPgrids


  图9FRP屋盖

  Fig.9FRProof


  20世纪60年代,英国已开始生产GFRP复合材料的屋盖结构,运往中东和北非建造使用,1968年一个采用GFRP夹芯板与铝质骨架的圆顶结构建于利比亚Bengazhi;1972年阿连酋的Dubai国际机场采用GFRP伞状屋顶。20世纪70—80年代,英国的一些建筑采用了GFRP作为除梁柱以外的承重或半承重构件。1974年,第一个全复合材料建筑在英国Lancashire落成,外形为三棱锥体组成的空间结构。

  早期的FRP结构,大都带有一定的试验性质,尚未在土木工程中形成规模。随着FRP生产技术和产品形式的迅速发展,FRP结构在桥梁工程中得到迅速发展。

  CFRP制成的平行丝束,具有耐腐蚀、高强、弹性模量与钢相近和抗疲劳性能好等优点,是制作斜拉索和吊索的理想材料。瑞士于1996年建成的WinterthernStorchenbrucke桥是一座(63+61)m的单塔斜拉组合加劲梁桥,桥塔为A型,高38m。该桥的24根拉索中有2根是碳纤维复合材料拉索,每根拉索由241根5mm的CFRP筋束组成。用CFRP束制成的拉索,曾用3倍设计荷载进行1000万次反复荷载试验。在桥上的CFRP拉索和钢拉索,均设有普通传感器和光纤传感器进行应力和变形监测。日本在Kurushima悬索桥(跨径1030m)中,首次采用碳纤维束作为猫道的主要缆索,碳纤维索的自重只有钢缆索的1/5,可以减小索的初始应力。

  1994年,英国建造的BondMill桥采用GFRP拉挤型材组合而成,是一座可通过40t卡车的活动桥。1996年,美国Kansas州Russell架起了第一座采用FRP桥面板的公路桥。此后不到十年的时间里,采用FRP桥面板的中小型桥梁在美国已有数十座(图10)。


  图10FRP桥面板施工

  Fig.10FRPbridgedeckunderconstruction


  全FRP结构在桥梁工程中也得到了一定的应用,该结构的理论寿命可达上百年,而且服役期间可实现免维护,近年来在欧洲备受推崇,目前已建成几百座FRP结构的小型人行桥和景观桥。例如,世界上第一座全FRP结构桥——苏格兰Aberfeldy人行桥(图11),全长113m,主跨为63m,双塔双索面斜拉体系,其桥塔、梁、桥面板和栏杆等都是用在工厂预先制造的挤拉成型的GFRP型材,桥索选用Kevlar芳纶纤维制造的缆绳,全桥现场安装仅用6周时间。美国、日本及中国等国家,目前也均成功建造了一系列全FRP结构的人行天桥。

  图11Aberfeldy人行桥


  3FRP在海洋工程中应用

  在推进海洋资源开发的战略中,海上交通运输基础设施建设涉及到港口码头、海洋平台、岛礁工程建设、跨海大桥等诸多领域,目前此类设施多为钢筋混凝土结构和钢结构,而海洋环境是非常苛刻的腐蚀环境,传统钢筋混凝土结构和钢结构的耐久性在该环境下面临严峻的考验。据测算,2009年我国因腐蚀造成的经济损失超过1万亿元,每秒钟就有1.5t钢铁被腐蚀。海洋产业腐蚀损失约占全国全部腐蚀损失1/3,达到6000多亿元。

  海洋工程,尤其是远离陆地的南海岛礁建设工程,还面临建筑原材料匮乏、海上运输困难、服役环境恶劣、自然灾害频发、地质条件复杂、施工条件有限等诸多难题,为国家开展大规模海洋基础设施建设、战略物资储备和海上资源开发等带来诸多困难。

  综合考虑海洋工程建设的各项技术要求,结构材料应具有高强度、低密度、高耐久性、易成型、施工便捷等综合性能,而FRP材料已经通过大量的研究和工程应用证明具备了以上这些性能要求,是解决海洋工程建设在材料耐久性、施工技术等方面诸多难点的很好的选择。此外,对于远海岛礁建设,FRP材料还可与海水海砂(珊瑚砂)混凝土组合使用,形成FRP-海水海砂混凝土组合结构,从根本上解决就地取材的问题,极大地降低工程的运输成本和建设成本。

  对于海洋工程,尤其是具有代表性的南海岛礁建设,以“运输原料少量化、预制构件轻量化、工程构筑快速化、建筑结构长寿命化”为宗旨,可以通过FRP-混凝土组合结构形成桩基、平台梁、平台板等构件,快速构筑成海上平台结构(图12)。

  a—预制桩布置(FRP管-混凝土);b—预制平台梁连接

  (FRP筋-混凝土);c—预制平台板铺设(FRP网格-混凝土);

  d—上部建筑及设施组装。

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  图12基于FRP-混凝土组合结构的岛礁基地快速建造方案


  Fig.12Theconstructionschemeofreefbaseexpressbasedon


  compositestructureofFRPandconcrete


  美国加州Hueneme港的海军设施工程服务中心于20世纪90年代设计建造了由FRP预应力桩和上承平板构成的码头,该码头在桩和墩的设计中都使用了预应力FRP筋。该结构使用至今仍能按照当初的设计要求正常工作,表明经过恰当的设计和严格的施工,FRP筋能够满足在海洋工程中应用的严苛要求。


  美国的OregonInletBridge是一座位于入海口的港湾大桥,建成于1963年。在海洋气候下历经几十年的使用,桥面板等混凝土构件已遭受了严重腐蚀。使用碳纤维网格对其进行了加固修复,工程竣工后经长期监测,加固修复层未出现劣化现象,整体修复效果良好,能满足海洋气候下的长期使用要求(图13)。


  图13美国OregonInletBridge


  Fig.13AmericanOregonInletBridge


  美国新奥尔良市的一座新建码头栈桥,使用了CFRP网格作为面板的受力筋,CFRP网格均预制成设计要求规格,运至现场后可在短时间内铺设完毕。经监测调查,该栈桥在码头潮湿及冬季冻融环境中使用三年后,未出现劣化迹象,长期经济寿命远高于同类型的钢筋混凝土结构(图14)。


  图14CFRP网格用于码头栈桥


  Fig.14CFRPgridusedinwharftrestle


  4FRP在节能结构中的应用

  建筑节能与结构一体化技术是绿色节能建筑领域比较流行的概念,即保温材料与主体围护结构墙体融为一体,墙体结构依靠保温材料形成A级保温材料,从而实现建筑围护结构节能的工作目标。

  关于围护结构,一类是由复合墙体材料组成,另一类是由传统的单一墙体材料组成。由于社会的发展和进步、土地资源开发利用的限制,依靠单一的墙体材料实现建筑节能的既定目标已不现实。所以,发展以复合墙体材料为代表的节能结构已是必然的趋势。

  “三明治”式的夹芯墙板是目前较为主流的节能保温墙板,CFRP在其中可作为剪力连接件,其形式有网格、板材等多种类型。美国已使用CFRP网格开发了多种类型的节能保温墙板(图15)。

  图15节能保温面板


  碳纤维剪力连接件与内外两侧混凝土墙板具有良好的连接效果,使内外墙板协同工作,同时碳纤维复合材料作为非金属,可以避免产生冷桥(图16)。

  图16碳纤维剪力连接件


  该类型的节能保温墙板可减小墙体厚度,减轻结构自重,而且具有良好的耐久性,显著降低全寿命周期的综合成本。墙板由工厂预制后,可在现场迅速拼装,缩短工期(图17)。

  1—墙体受力筋;2—壁柱;3—碳纤维剪力连接件。

  图17夹芯保温墙板剖面


  FRP在节能结构中的另一种应用形式是预制建筑面板,碳纤维在其中可作为剪力连接件和受力增强材料。该类型的建筑面板在减轻结构自重的同时,具有良好的整体隔热效果,而且混凝土面层作为一种可设计材料,拥有广泛的美学方案选择(图18—图21)。

  图18预制建筑面板


  1—泡沫隔热;2—碳纤维剪力连接件;3—主受力筋;

  4—混凝土;5—碳纤维网格。

  图19预制建筑面板剖面



  图20布置碳纤维网格

  Fig.20Arrangementofcarbonfibergrid


  图21预制构件现场吊装

  Fig.21Theliftofprefabricatedmembersonsite


  5结束语

  FRP在土木工程中的应用研究是目前土木工程领域的热门学科,而我国目前也已成为国际上土木工程行业FRP使用量最大的国家之一。

  但是,目前国内的建设行业对FRP材料的理解仍主要集中在既有结构的加固和一些简单的应用上,由于FRP土木工程应用研究的技术投资门槛较高,而且对结构全寿命周期的经济性的认识也不够深入,目前的相关工程应用也较少。

  随着国家重大基础设施建设和各行业的建构筑物建设对结构的安全性和使用寿命的要求越来越高,对以FRP为代表的新型高性能建筑材料的需求也愈发迫切,相信在不久的将来,FRP在新建结构中的应用将成为一个发展势头强劲、市场容量巨大的新兴产业。


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关键词: FRP   纤维增强复合材料   FRP筋